Для адиабатного процесса 1-2:

Для изобарного процесса 2-3:

Тогда 

Для адиабатного процесса (3-4):

Так как V₁

Можно записать: 

Подставляя полученные значения температур в уравнение термического кпд получим:

Анализ соотношения (8.8) показывает, что термический кпд цикла Дизеля тем выше, чем больше степень сжатия (как и в цикле Отто) и чем выше величина p (степени предварительного расширения).

Для сравнения циклов Отто и Дизеля необходимо принимать в обоих циклах либо одинаковую величину степени сжатия ε, либо наивысшую температуру рабочего тела в цикле (T₃). При этом исходные параметры рабочего тела в начальной точке цикла (p₁, V₁, T₁) должны быть одинаковыми в обоих циклах.

Для случая, когда в циклах одинаковые степени сжатия из выражений (8.5) и (8.8) видно что термический кпд цикла Отто выше термического кпд Дизеля. Однако главным преимуществом цикла Дизеля является возможность работать при более высоких степенях сжатия (

Рис. 8.3. Сравнение циклов Отто и Дизеля

На рис. 8.3 в диаграмме T-S совмещены циклы Отто и Дизеля при одинаковых начальных (p₁, V₁, T₁) параметрах и одинаковой максимальной температуры. Так как изохора идёт круче изобары, очевидно, что тепла, трансформируемого в работу в цикле Дизеля больше и следовательно, термический кпд цикла Дизеля выше.

При сравнении обоих циклов при равной работе и максимальном давлении видно, что тепла q₂ в цикле Отто больше и, следовательно, h цикла Отто ниже. Кроме того, двигатель Дизеля может работать на менее качественном и потому более дешевом топливе.

Известным недостатком двигателя Дизеля (по сравнению с циклом Отто) является необходимость затрат работы на привод устройства для распыления топлива.

Идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Понятие о цикле двигателя внутреннего сгорания

Последовательность термодинамических процессов в любом современном поршневом двигателе внутреннего сгорания в той или иной степени приближена к одному из трех характерных циклов, называемых идеальными циклами Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера (Сабатье – Тринклера).
При этом принципиальное различие этих циклов проявляется лишь в характере процесса сгорания топлива (подвода теплоты), который в идеальном цикле Отто протекает в условиях постоянного объема камеры сгорания, в цикле Дизеля – при постоянном давлении в цилиндре, а в цикле Сабатэ – последовательно по изохорному, а затем по изобарному процессам.

Исходя из приведенных характеристик, циклы Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера иногда называют, соответственно, циклами быстрого, постоянного и смешанного сгорания, которые положены в основу работы карбюраторного, компрессорного и бескомпрессорного двигателей.

Приведенные ниже идеальные циклы тепловых двигателей внутреннего сгорания описывают последовательность термодинамических процессов, протекающие по двухтактному сценарию, т. е. поршень в цилиндре совершает за один цикл два хода — вверх и вниз. Реальные тепловые двигатели могут работать и по двухтактному, и по более эффективному четырехтактному циклу.

***

Цикл Отто

Идеальный цикл теплового двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси, который обычно называют циклом Отто, на самом деле был описан и предложен еще в 1862 году французским инженером Альфонсом Бо Де Роша (1815-1891), т. е. задолго до создания Николаусом Августом Отто своего знаменитого двигателя, первый образец которого был изготовлен спустя полтора десятилетия — в

В своем двигателе Отто первым применил сжатие рабочей смеси для поднятия максимальной температуры цикла, которое осуществлялось по адиабате (т. е. без теплообмена с внешней средой). Последовательность термодинамических процессов в цикле Отто можно проследить по приведенной ниже диаграмме (рис. 1).
После сжатия газо-топливной смеси она воспламенялась от внешнего источника (свечи), после чего начинался процесс подвода теплоты, который протекал практически по изохоре (т. е. при постоянном объеме цилиндра двигателя). Этот процесс на диаграмме представлен в виде вертикального участка, начинающегося с момента воспламенения горючей смеси в цилиндре.

Далее следовало адиабатическое расширение, в процессе которого двигателем осуществлялась полезная работа (рабочий ход поршня). В конце процесса расширения следовал изохорный отвод теплоты (открывание клапанов и продувание цилиндра). На этом цикл завершался, после чего следовало повторение указанной последовательности процессов, составляющих череду аналогичных циклов.

Как указывалось выше, А. Отто первым применил сжатие рабочей смеси перед воспламенением, благодаря чему КПД его двигателя значительно превышал КПД двигателя Э. Ленуара, в котором сжатие не предусматривалось. Современные двигатели, работающие по схеме цикла Отто, имеют степень сжатия (в зависимости от конструктивных особенностей) от

Из-за относительно невысокой степени сжатия горючей смеси в цилиндрах, термический КПД таких двигателей ниже, чем в дизельных двигателях, и достигает 30-35 %.

Двигатели, работающие по циклу Отто, в настоящее время широко применяются в автомобилях, лодочных моторах, маломощных летательных аппаратах и т.

***

Цикл Дизеля

Другой характерный идеальный цикл для ДВС называют циклом Дизеля, по имени изобретателя дизельного двигателя. Этот цикл характеризуется подводом теплоты (сгоранием топлива) по изобаре, т. е. при постоянном давлении в цилиндре двигателя.

Как и в случае с циклом Отто, называть цикл, в котором сгорание топлива осуществляется по изобаре, циклом Дизеля будет не совсем справедливо.
Изначально Р. Дизель предлагал осуществлять сжигание топлива по изотерме (как в идеальном цикле Карно) и запатентовал именно такой способ подвода тепла к рабочему телу.
Однако, уже первые практические испытания показали, что цикл, предложенный Р. Дизелем, не имеет никакого практического и теоретического значения. Всякое приближение процессов горения к изотерме в цикле Дизеля приводило к увеличению расхода топлива.
И лишь некоторое время спустя анализ диаграммы рабочего цикла дизельного двигателя, построенного в России на заводе «Л.

Цикл Дизеля протекает по следующему сценарию (см. диаграмму на рис. 1).
Сжатие осуществляется по адиабате, как и в цикле Отто, с той лишь разницей, что степень сжатия и давление в конце такта значительно выше. Это прослеживается на приведенной диаграмме.
В конце такта сжатия происходит впрыск топлива и начинается его горение (подвод теплоты), которое осуществляется по изобаре, т. е. при постоянном давлении.
Именно в этом заключается принципиальное отличие цикла Дизеля от цикла Отто, где теплота подводится изохорно (при постоянном объеме), поскольку топливо сгорает очень быстро, а его воспламенение (от искры) начинается чуть раньше, чем поршень достигал верхнего положения.
Изобарное сжигание топлива в дизельном двигателе связано с относительно медленным (лавинообразным) воспламенением – сначала сгорают легкие фракции, затем более тяжелые. В результате процесс горения растягивается во времени и поршень успевает «убежать» от верхней мертвой точки, при этом давление в цилиндре остается неизменным.
Далее, как и в цикле Отто, следовало адиабатическое расширение, а затем изохорный отвод теплоты (выпуск газов и продувка цилиндра после открывания клапанов).

Принципиальное и конструктивное отличие заключалось в том, что Дизель предложил сжимать в цилиндре не топливовоздушную смесь, как в двигателях Отто, а воздух. В конце такта сжатия температура воздуха поднималась настолько, что впрыскиваемое в цилиндр топливо возгоралось самостоятельно, т. е. происходило самовоспламенение топлива.
Для осуществления самовозгорания приходилось значительно увеличить степень сжатия, которая в дизельных двигателях в 2-3 раза выше, чем в карбюраторных двигателях.
Дизель, проектируя свой двигатель, предполагал применить стократную степень сжатия, но, как показали первые же испытания, тепловая и механическая напряженность деталей двигателя при таких нагрузках превышала допустимые значения. Опытные образцы не выдерживали нагрузки и разрушались даже при значительном утяжелении конструкции с целью повышения прочности.
Тем не менее, современные разработки по усовершенствованию дизельных двигателей направлены, в том числе, на значительное увеличение степени сжатия, поскольку это напрямую связано с повышением КПД и экономичности двигателя.

По легенде считается, что Р. Дизель изобрел свой знаменитый двигатель, накачивая ручным насосом колесо велосипеда. После нескольких энергичных манипуляций насосом, он заметил, что его корпус-цилиндр сильно нагрелся, и даже обжигал руку. Это и натолкнуло изобретателя на идею, которая принесла ему мировую славу и бессмертие в памяти благодарного человечества.

Особенностью системы питания Дизеля, в его первозданном виде, было компрессорное пневматическое распыливание топлива, на смену которому со временем пришло механическое распыливание посредством топливных насосов высокого давления (ТНВД) и форсунок, предложенных в 1898 году французом Сабатэ.

Отказ от пневматического (компрессорного) впрыска был связан с тем, что на привод компрессора приходилось 10-15% полезной работы двигателя, в связи с чем расход топлива у таких дизелей был не совсем приемлемым, т.е. эффективные показатели были ниже, чем у цикла Сабатэ – Тринклера. Кроме того, гидравлический впрыск топлива позволял увеличить динамические показатели работы дизельного двигателя.
Однако индикаторные и экологические показатели компрессорного («чистого») дизельного двигателя были выше, чем у двигателей, работающих по циклу Сабатэ – Тринклера (о них речь пойдет ниже). Связанно это было с более качественным смесеобразованием – в цилиндр подавалась топливовоздушная смесь, а не топливо в жидкой фазе как у современных дизелей.

Повсеместный переход от пневматического на механическое (бескомпрессорное) распыливание топлива и соответственно с цикла Дизеля на цикл Сабатэ — Тринклера начался в 30-х годах прошлого столетия.
В настоящее время двигатели, работающие по «чистому» циклу Дизеля не производятся, за исключением экспериментальных и опытных образцов.

***

Цикл Сабатэ – Тринклера

Цикл, включающий два последовательных термодинамических процесса сгорания топлива – сначала по изохоре, а затем по изобаре, называют циклом Сабатэ – Тринклера. Пожалуй, это название цикла тоже можно оспорить, поскольку французский инженер Сабатэ (Сабатье) запатентовал в 1898 году не цикл, а механическое устройство (форсунку с распылителем), которое должно было подавать жидкое топливо непосредственно в цилиндры в два этапа. По замыслу Сабатэ это должно привести к более полному и быстрому сгоранию топлива.

В начале прошлого века российский инженер Густав Тринклер изобрел принципиально новый двигатель, опытный образец которого был изготовлен в 1902 году на Путиловском заводе. Снятая с работающего двигателя индикаторная диаграмма показала, что сгорание топлива в нем происходило по смешанному циклу – сначала по изохоре (при постоянном объеме), а затем по изобаре (при постоянном давлении).
Таким образом, первым в мире двигателем с самовоспламенением, работающим по циклу смешанного сгорания, был двигатель конструкции Г. Тринклера, изготовленный в России.

Термодинамические процессы в цикле Сабатэ – Тринклера осуществляется в следующей последовательности (см. диаграмму на рис. 1).
Сжатие воздуха, как и в цикле Дизеля, осуществлялось по адиабате. Теплота подводится смешанно: изохорно (вертикальный участок на p-V диаграмме), а затем изобарно (горизонтальный участок на диаграмме).
Далее следовало адиабатическое расширение, после чего изохорный отвод теплоты (вертикальный отрезок в конце такта расширения на диаграмме).

Смешанный цикл в двигателе Тринклера имел место благодаря применению гидравлического впрыска топлива посредством форсунок, а также предварительному воспламенению топлива не в цилиндре, а в отдельной небольшой камере, соединенной каналом с объемом цилиндра. Именно в эту камеру бескомпрессорным (гидромеханическим) способом впрыскивалось топливо, где и начинался процесс его горения.
Применение отдельной камеры позволяло поддерживать в ней более высокую температуру, чем в цилиндре, поскольку ее стенки не успевали остыть при отводе теплоты из цилиндра. Благодаря этому процесс горения топлива в камере протекал очень быстро (практически, по изохоре, как в цикле Отто), а затем горение распространялось в цилиндр и здесь уже протекало по изобарному сценарию, как в цикле Дизеля.
Двигатели Тринклера чаще называют бескомпрессорными или форкамерными дизелями или просто дизелями.

Как упоминалось выше, все выпускающиеся в настоящее время дизельные двигатели на самом деле работают по циклу Сабатэ — Тринклера, т. е. циклу со смешанным подводом теплоты и с механическим распыливанием топлива.

Степень сжатия у безнаддувных двигателей достигает значения 18-22; у наддувных высокофорсированных двигателей — 13-15.
Замечено, что с увеличением рабочего объема цилиндров дизельного двигателя и с уменьшением его оборотистости возрастает экономичность, т. е. КПД.

Область применения этих двигателей очень широкая. Их устанавливают в генераторных, насосных, энергетических установках и на электростанциях, в легковых и грузовых автомобилях, тракторах, сельскохозяйственной и дорожной технике, на тепловозах, судах, самолетах и т. д.

***

Сравнение эффективности идеальных циклов

Попробуем сравнить эффективность рассмотренных выше идеальных циклов с помощью диаграммы T-s (рис. 2), описывающей зависимость между энтропией и температурой рабочего тела. Анализ будет наиболее наглядным при одинаковых степенях сжатия в рассматриваемых двигателях (представим, что такое возможно).

Из приведенной диаграммы (рис. 2б) видно, что процессы сжатия 1-2 у всех трех типов двигателей (карбюраторного, дизельного и бескомпрессорного) совпадают, а если отводить одинаковое количество теплоты, то будут совпадать и процессы 4-1.

Следует отметить, что на диаграмме T–s изохора всегда проходит круче изобары, следовательно, в карбюраторном двигателе при одинаковом количестве подведенной теплоты будет совершаться больше работы на величину заштрихованной площади. Исходя из этого, можно сделать вывод: изохорное сжигание топлива эффективнее изобарного.

Однако в действительности названные двигатели работают при разных степенях сжатия, и практический интерес представляет сравнение их эффективности при одинаковых максимальных температурах сгорания, поскольку именно они определяют в основном температурную напряженность машины и ее КПД.

Следующая диаграмма T-s (рис. 2в) показывает циклы Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера при одной и той же максимальной температуре. В этом случае на диаграмме T–s должны совпадать точки 3, что соответствует одинаковой максимальной температуре в цикле и одинаковому количеству отводимой за цикл теплоты.

Здесь отрезки 1–2, 1–2′ и 1–2″ изображают адиабатное сжатие в циклах Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера соответственно, 2–3 – изохорный подвод теплоты в цикле Отто, 2’–3 – изобарный в цикле Дизеля, 2″–3′ и 3’–3 – изохорный и изобарный в цикле Сабатэ-Тринклера. Остальные процессы – адиабатное расширение (рабочий ход) 3–4 и изохорный отвод теплоты 4–1 – при рассматриваемых условиях одинаковы для всех трех циклов.

Как видно из этой диаграммы, максимальная теплота q₀ (площадь, заключенная внутри контура цикла), преобразуемая в полезную работу и, следовательно, максимальный термодинамический КПД имеет место в случае цикла Дизеля, минимальный – в случае цикла Отто. Цикл Сабатэ-Тринклера по эффективности преобразования теплоты в полезную работу занимает промежуточное положение.

Конечно, наиболее ценные результаты дает сопоставление циклов при одинаковых максимальных температурах и одинаковых расходах топлива (одинаковых количествах подводимой за цикл теплоты). Но сделать это с помощью диаграммы T–s практически невозможно, поскольку пришлось бы так подбирать количество отводимой теплоты, чтобы площади каждого из сравниваемых циклов были одинаковы.
Такой анализ может быть проведен с помощью моделирования на компьютере.

***

Термодинамика поршневого двигателя

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

• для специальности СПО «Механизация сельского хозяйства»
• для специальности СПО «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

• для специальности СПО «Механизация сельского хозяйства»
• для специальности СПО «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»

Главная страница

• Страничка абитуриента

Дистанционное образование

• Группа ТО-81
• Группа М-81
• Группа ТО-71
  

Специальности

• Ветеринария
• Механизация сельского хозяйства
• Коммерция
• Техническое обслуживание и ремонт автотранспорта

Учебные дисциплины

• Инженерная графика
• МДК. 01.01. «Устройство автомобилей»
•    Карта раздела
•       Общее устройство автомобиля
•       Автомобильный двигатель
•       Трансмиссия автомобиля
•       Рулевое управление
•       Тормозная система
•       Подвеска
•       Колеса
•       Кузов
•       Электрооборудование автомобиля
•       Основы теории автомобиля
•       Основы технической диагностики
• Основы гидравлики и теплотехники
• Метрология и стандартизация
• Сельскохозяйственные машины
• Основы агрономии
• Перевозка опасных грузов
• Материаловедение
• Менеджмент
• Техническая механика
• Советы дипломнику

Олимпиады и тесты

• «Инженерная графика»
• «Техническая механика»
• «Двигатель и его системы»
• «Шасси автомобиля»
• «Электрооборудование автомобиля»

Дизельный цикл: определение, процесс и уравнение

Знаете ли вы, что существует два основных типа автомобильных двигателей? Одни на бензине, другие на дизеле. Что интересно в этих двух видах топлива, так это то, что бензин может легко воспламениться от искры. Поэтому бензиновые двигатели также называются s парковочное зажигание или двигатель SI s . Дизель, с другой стороны, не загорится от простой искры. Воспламенение дизеля происходит только при очень высоком давлении. Это дало дизельным двигателям название 9.0003 двигатели с воспламенением от сжатия или CI . Дизельный цикл назван в честь немецкого изобретателя Рудольфа Дизеля. Он предложил термодинамический цикл, объясняющий работу дизельного двигателя. Теперь давайте посмотрим, как цикл Дизеля объясняет работу двигателя CI.

Дизельный цикл Определение

Дизельный цикл — это термодинамический цикл, который лучше всего представляет работу дизельного двигателя внутреннего сгорания.

Прежде чем мы поймем, как он это делает, давайте кратко рассмотрим работу двигателя CI — это поможет вам в связи с процессами дизельного цикла, которые мы объясним в следующих разделах.

Как работают дизельные двигатели?

Эта анимация поршня двигателя КИ показывает, как линейное движение тюрьмы преобразуется во вращение, которое вращает карданный вал для получения выходной мощности. Также показаны 4 «такта» цикла, которые будут объяснены позже. Wikimedia Commons CC-BY-SA-3.0

Есть три важные части, которые нам нужно знать, чтобы понять основной принцип работы двигателя с инжекторным двигателем: поршень, коленчатый вал и камера сгорания. Поршень скользит вверх и вниз внутри камеры сгорания. Эта камера герметична и воздухонепроницаема, и ее объем изменяется при движении поршня вверх и вниз. Другой конец поршня соединен с коленчатым валом. Умная инженерия преобразует линейное движение поршня во вращение коленчатого вала, что обеспечивает выходную мощность двигателя.

Наиболее важное различие между бензиновым двигателем и дизельным двигателем заключается в воспламенении топлива. Дизельные двигатели имеют высокую степень сжатия. Это сжимает топливно-воздушную смесь до очень высокого давления, обычно с помощью турбонагнетателя . На этом этапе температура топлива достигает точки, при которой оно может воспламениться без свечей зажигания.

Теперь давайте посмотрим, как химическая энергия дизельного топлива преобразуется в механическую энергию. Для этого двигатель внутреннего сгорания выполняет четыре шага. Каждый шаг называется такт , поскольку он представляет собой однократное движение поршня вверх или вниз.

Дизельный цикл Процесс

Дизельный цикл состоит из четырех процессов. Каждый из них можно наблюдать на анимации выше и на диаграмме PV в следующем разделе.

1. Процесс 1 [такт всасывания] — Это когда поршень сначала движется вниз, создавая вакуум, который всасывает воздух в камеру сгорания.

2. Процесс 2 [такт сжатия] — Как только поршень достигает нижней точки, он снова движется вверх и сжимает воздух в камере сгорания до очень высокого давления. Давление настолько велико, что нагревает воздух до температуры, превышающей температуру воспламенения дизельного топлива.

3. Процесс 3 [p рабочий ход] — Рабочий такт начинается резко, т.к. в конце такта сжатия (процесс 2) топливо впрыскивается в камеру сгорания через топливную форсунку . Топливо воспламеняется при смешивании с высокотемпературным воздухом внутри камеры. Этот управляемый взрыв толкает поршень обратно вниз, производя работа .

4. Процесс 4 [такт выпуска] — Наконец, это когда поршень движется обратно вверх и выталкивает побочные продукты сгорания (в основном \(\mathrm{CO_2}\)\) и тепло) из камеры сгорания . Это называется тактом выпуска . После этого поршень повторяет процесс 1 и снова выполняет тот же цикл.

Диаграмма цикла дизельного топлива

Теперь давайте объясним приведенный выше абзац с точки зрения термодинамики. Здесь у нас есть PV (давление-объем) диаграмма , изображающая идеальный дизельный цикл. Упомянутые выше процессы можно увидеть на рисунке ниже.

Диаграммы PV

Диаграммы PV (нажмите на ссылку для более глубокого понимания диаграмм PV) используются для графического представления различных термодинамических циклов. Давление измеряется по оси у, а объем измеряется по оси абсцисс. Это делает его удобным способом представления изменения объема и давления, что обычно важно, когда мы рассматриваем термодинамические циклы.

Вот несколько важных свойств диаграммы PV:

• Ось Y представляет давление, а ось X представляет объем.
• Значения давления увеличиваются в направлении сверху вниз, а значения объема — слева направо.
• Стрелка указывает направление процессов.

Определения некоторых термодинамических терминов, используемых для описания процессов на PV-диаграммах, приведены ниже:

Ан i Собарический процесс0004 — это термодинамический процесс, при котором давление остается постоянным.

~

Адиабатический процесс — это термодинамический процесс, при котором тепло или масса не передаются окружающей среде.

~

Изэнтропический процесс — это термодинамический процесс, который одновременно является адиабатическим и обратимым.

~

Точка воспламенения представляет собой комбинацию температуры и давления, при которой топливо самовозгорается.

Диаграмма PV дизельного цикла

Ниже представлена ​​диаграмма PV, изображающая теоретически идеальный дизельный цикл. Упомянутые выше процессы можно увидеть на рисунке ниже.

PV Схема дизельного цикла, StudySmarter Originals

Теперь, когда вы понимаете, как работает дизельный двигатель, мы объясним работу дизельного двигателя, используя дизельный цикл.

Ход всасывания

Горизонтальная синяя линия представляет всасывание такт (такт впуска) — начиная слева от синей линии на уровне объема , объем камеры увеличивается, потому что поршень движется вниз, втягивая воздух в камеру сгорания. Этот процесс изобарический , так как давление остается постоянным.

Такт сжатия

Изэнтропическое сжатие от a до b — это такт сжатия , который мы упоминали в предыдущем разделе. Воздух сжимается поршнем, когда он движется вверх, и объем камеры сгорания уменьшается, быстро увеличивая давление. Однако теплообмен отсутствует. Это делает его адиабатический процесс . На этом этапе камера сгорания содержит только воздух. Из-за повышения давления воздух нагревается выше точки воспламенения дизеля.

Рабочий ход

Подвод тепла при постоянном давлении, от b до c

Этот процесс охватывает первую часть рабочего хода. Непосредственно перед началом рабочего такта топливные форсунки впрыскивают капли топлива в камеру сгорания. Контакт между дизельным топливом и нагретым воздухом автоматически воспламеняет смесь, при этом контролируемый взрыв приводит к рабочему такту. Сгорание топлива завершается в 9 ч. 0003 точка в. Тепло, добавляемое в систему, представлено \(Q_H\) . Этот процесс длится очень короткое время. Когда поршень движется вниз, чтобы увеличить объем камеры сгорания во время рабочего такта, тепло, подводимое к двигателю, происходит при постоянном давлении. Это делает его изобарическим процессом .

Из-за того, что подвод тепла происходит при постоянном давлении, дизельный цикл также известен как цикл при постоянном давлении .

Изэнтропическое расширение, от c до d

Это заключительная часть рабочего хода. Высокое давление после взрыва продолжает толкать поршень вниз, увеличивая объем камеры сгорания. Здесь тепловая энергия сгорания преобразуется в механическую работу. Этот процесс также является адиабатическим процессом.

Отвод тепла при постоянном объеме, от d до a

Здесь тепло отводится из камеры сгорания, когда поршень достигает нижней точки рабочего хода. Объем остается постоянным, следовательно, это изохорный процесс . Выделяемое тепло обозначается \(Q_C\). На этом этапе давление также значительно снижается. Это очень похоже на финальный процесс цикла Отто.

Такт выпуска

Синяя линия в направлении, противоположном такту всасывания, представляет окончательный такт выпуска, при котором газы выбрасываются, когда поршень движется обратно вверх, готовый снова начать цикл.

Эффективность дизельного цикла

Формула эффективности \(\эта\) дизельного цикла определяется следующим уравнением.

Тепловой КПД тепловой машины определяется как отношение выполненной полезной работы \(Вт\) к подводимой теплоте при высокой температуре, \(Q_H\).

$$\mathrm\eta=\frac{W}{Q_H}=\frac{{\mathrm Q}_{\mathrm H}+{\mathrm Q}_{\mathrm C}}{{\mathrm Q } _ {\ mathrm H}} = 1+ \ frac {{\ mathrm Q} _ {\ mathrm C} \; \ отмена {(\ mathrm {Джоули})}} {\ mathrm Q} _ {\ mathrm H }\;\cancel{(\mathrm{Джоули})}}$$

Чтобы увидеть, как изменяется тепловой КПД идеализированного дизельного цикла при изменении характеристик двигателя, мы можем определить два ключевых соотношения; 9Коэффициент отсечки 0003 и составляют коэффициент .

Степень сжатия

Степень сжатия \(R_c\) — это отношение объема камеры сгорания, когда поршень находится внизу, к объему, когда он находится вверху, измеренное во время такта сжатия .

Степень сжатия в дизельном двигателе, StudySmarter Originals

Это помогает нам понять, насколько воздух сжимается внутри двигателя перед рабочим тактом. Обычно дизельные двигатели имеют степень сжатия от 16:1 до 20:1. Это очень много по сравнению с циклом Отто. Он определяется следующим уравнением:

$$R_c=\frac{V_a}{V_b}$$

Коэффициент отсечки топлива

Коэффициент отсечки топлива \(R_v\) объем после сгорания \(V_c\) к объему до сгорания, \(V_b\).

Коэффициент отсечки дизельного цикла, StudySmarter Originals

$$R_v=\frac{V_c}{V_b}$$

Объем \(V_c\) — это объем, при котором прекращается впрыск топлива, отсюда и название. Помните, что топливо подается форсункой к горячему воздуху. Это соотношение может помочь нам понять, насколько расширяется камера в процессе сгорания.

Применяя условия идеализированного дизельного цикла, мы можем переписать эти соотношения различными способами:

Мы знаем, что объемы в точках a и d (отвод тепла при постоянном объеме) равны, так как изохорный процесс.

$$V_a=V_d$$

Это означает, что степень сжатия также может быть записана как:

$$R_c=\frac{V_a}{V_b}=\frac{V_d}{V_b}$$

И мы также можем переписать коэффициент расширения как:

$$R_e=\frac{V_d}{V_c}=\frac{V_a}{V_c}$$

Формула и уравнение дизельного цикла

Что, если бы мы захотели определить эффективность дизельного цикла, используя его температуру? Мы можем рассчитать тепло, добавляемое и выделяемое системе, используя удельную теплоемкость воздуха и температуру в каждой точке цикла.

$$Q=mC\треугольник T$$

$$\mathrm{Тепло}=\mathrm{масса}\;\times\;\mathrm{специфический}\;\mathrm{тепло}\;\times\ ;\mathrm{change}\;\mathrm{in}\;\mathrm{temp}$$

Примените это уравнение для обоих процессов, в которых тепло добавляется и выделяется. Поскольку тепло добавляется при постоянном давлении от b до c , мы используем \(C_p\), который представляет собой удельную теплоемкость воздуха при постоянном давлении .

$$Q_H=mC_p(T_c-T_b)$$

Отвод тепла происходит при постоянном объеме от d в a , поэтому мы используем \(C_v\), который представляет собой удельную теплоемкость воздуха при постоянном объеме .

$$Q_C=mC_v(T_d-T_a)$$

Подставим эти выражения в наше предыдущее уравнение для теплового КПД, и получим:

$$\eta=1-\frac{Q_C}{Q_H}=1 -\frac{\cancel{m}C_v(T_d-T_a)}{\cancel{m}C_p(T_c-T_b)}$$

Для упрощения уравнения можно сказать, что гамма \(\gamma\) отношение удельных теплоемкостей воздуха при постоянном давлении \(C_p\) и постоянном объеме \(C_v\):

$$\gamma=\frac{C_p}{C_v}$$

Упрощая приведенное выше уравнение для эффективности, получаем:

$$\eta=1-\frac{1}{\gamma}\frac{ T_a-T_d}{T_c-T_b}$$

Теперь у нас есть тепловой КПД в терминах температуры, но отношения, которые мы определили ранее, выражены в единицах объема! Как мы можем выразить формулу эффективности через объемы? Во-первых, нам нужно еще раз изменить уравнение:

$$\eta=1-\frac{1}{\gamma}\frac{T_a}{T_b}\frac{\frac{T_d}{T_a}-1} {\ гидроразрыва {T_c} {T_b} -1} $ $ 9{\gamma-1} $$

И, наконец, нам нужно переписать выражение для коэффициента отсечки через температуры. Применяя уравнение идеального газа \(PV=nRT\) и видя, что давления в точках b и c одинаковы, мы можем записать отношение как:

$$R_v=\frac{V_c}{ V_b}=\left(\frac{\cancel RT_c}{\cancel{P_c}}\right)\left(\frac{\cancel{P_b}}{\cancel RT_b}\right)=\frac{T_c}{ T_b}$$

Определив эти отношения температур в терминах степеней сжатия и отсечки, мы теперь используем алгебру, чтобы упростить уравнение эффективности до этих параметров. 9\gamma-1}{\gamma(R_v-1)}\right)$$

Величина \(\gamma\) для автомобильных двигателей на Земле в основном остается постоянной, так как удельная теплоемкость воздуха составляет около 1,4. Как видите, приведенное выше уравнение для эффективности дизельного цикла показывает взаимосвязь между термической эффективностью дизельного цикла и коэффициентами сжатия и отсечки. При увеличении коэффициента отсечки тепловой КПД дизеля снижается. Когда степень сжатия увеличивается, тепловой КПД увеличивается.

На приведенном выше графике используется уравнение, которое мы только что вывели, чтобы показать, как эффективность дизельного цикла изменяется при изменении степени сжатия при различных значениях степени отсечки. Изучайте умные оригиналы.

На этом мы подошли к концу этой статьи. Давайте посмотрим, что мы уже узнали.

Дизельный цикл — основные выводы

• Дизельный цикл — это термодинамический цикл, который лучше всего отражает работу дизельного двигателя.
• Дизельный цикл включает следующие четыре процесса:
  • Такт впуска
  • Такт сжатия
  • Рабочий такт
  • Такт выпуска
• Формула эффективности дизельного цикла определяется следующим уравнением.
• Степень сжатия \(R_c\) представляет собой отношение объема цилиндра, когда поршень находится внизу, к объему цилиндра, когда он находится вверху, измеренное во время такта сжатия.

• Коэффициент отсечки топлива \(R_v\) равен объему после сгорания к объему до сгорания.

• Уравнение эффективности дизельного цикла с точки зрения сжатия и степени отсечки:

• Когда степень отсечки увеличивается, тепловой КПД дизеля снижается.

• При увеличении степени сжатия повышается тепловой КПД.

Дизельный двигатель